楊燕京, 趙鳳起, 孫　美, 儀建華, 姚德龍, 軒春雷, 許　毅, 王長(zhǎng)建, 孫志華, 安　亭

(1.西安近代化學(xué)研究所燃燒與爆炸技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065；2.中國(guó)兵器工業(yè)集團(tuán)試驗(yàn)測(cè)試研究院，陜西 華陰 714200)

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基于TDLAS技術(shù)的雙基系推進(jìn)劑裝藥排氣羽流流速特性研究

楊燕京1, 趙鳳起1, 孫美1, 儀建華1, 姚德龍2, 軒春雷1, 許毅1, 王長(zhǎng)建1, 孫志華1, 安亭1

(1.西安近代化學(xué)研究所燃燒與爆炸技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065；2.中國(guó)兵器工業(yè)集團(tuán)試驗(yàn)測(cè)試研究院，陜西 華陰 714200)

摘要：基于可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜(TDLAS)技術(shù)，利用吸收光譜中1392nm附近的H2O吸收譜線，測(cè)量了雙基推進(jìn)劑和改性雙基推進(jìn)劑裝藥在Ф50mm標(biāo)準(zhǔn)縮比發(fā)動(dòng)機(jī)中燃燒后產(chǎn)生的排氣羽流的流速。結(jié)果表明，雙基推進(jìn)劑裝藥的流速在達(dá)到第1個(gè)峰值后有稍許下降，隨后緩慢上升，進(jìn)入位于0.90～1.39s的平臺(tái)區(qū)；而改性雙基推進(jìn)劑裝藥的流速在達(dá)到1100m/s后直接進(jìn)入位于0.33～0.88s的平臺(tái)區(qū)，而流速在該區(qū)域內(nèi)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；上述兩種裝藥的排氣羽流流速曲線的變化趨勢(shì)與燃燒室內(nèi)壓強(qiáng)曲線一致，但由于流速測(cè)量點(diǎn)距噴口有一定距離，導(dǎo)致其與壓強(qiáng)曲線相比有一定程度的滯后；雙基和改性雙基兩種推進(jìn)劑裝藥在距發(fā)動(dòng)機(jī)噴口30cm處的平均羽流流速分別為831.8和1057.5m/s。

關(guān)鍵詞：可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜；TDLAS；固體推進(jìn)劑；排氣羽流；羽流流速

引 言

固體推進(jìn)劑裝藥在發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)燃燒生成的產(chǎn)物通過(guò)噴管排出，形成排氣羽流。排氣羽流場(chǎng)的特征與發(fā)動(dòng)機(jī)及推進(jìn)劑的性能密切相關(guān)。作為流場(chǎng)的基本物理量，研究流速及其分布對(duì)于深入認(rèn)識(shí)流場(chǎng)的特性至關(guān)重要，進(jìn)而可為發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)和固體推進(jìn)劑配方的優(yōu)化提供一定的指導(dǎo)作用。

現(xiàn)有的流速測(cè)量技術(shù)可分為接觸式測(cè)量技術(shù)和非接觸式測(cè)量技術(shù)。由于排氣羽流具有高溫、高速兩個(gè)特點(diǎn)，僅非接觸式測(cè)量技術(shù)可以用于對(duì)其的研究。非接觸式流速測(cè)量技術(shù)主要包括激光多普勒流速儀(LDV)、粒子圖像測(cè)速儀(PIV)和可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜(TDLAS)技術(shù)。其中，LDV和PIV技術(shù)的測(cè)量對(duì)象是流體中的示蹤粒子，TDLAS技術(shù)測(cè)量的則是流體中特定氣體的運(yùn)動(dòng)速度。因此，從原理上說(shuō)，利用TDLAS技術(shù)可以獲得流體真實(shí)的流速。

TDLAS技術(shù)在風(fēng)洞、流速測(cè)量方面的應(yīng)用得到了國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)的重視[1]。美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)在高超聲速國(guó)際飛行研究試驗(yàn)(HIFiRE)和渦輪基組合循環(huán)(TBCC)項(xiàng)目的研究中應(yīng)用了TDLAS技術(shù)[2-3]。張春曉等[4]選擇位于6548.7cm-1處的NH3吸收譜線，對(duì)NH3和N2混合氣體中NH3的流速和濃度進(jìn)行了測(cè)量；賈良權(quán)等[5]以氧氣在13144.5cm-1附近的吸收譜線為測(cè)量對(duì)象，使用TDLAS技術(shù)研究了風(fēng)洞中氧氣的流速；張亮等[6]則以1398nm處水的吸收譜線為測(cè)量對(duì)象，實(shí)現(xiàn)了高速流場(chǎng)的檢測(cè)；中科院力學(xué)研究所[7-9]使用TDLAS系統(tǒng)研究了超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室入口和燃燒室內(nèi)的流速、溫度和濃度等參量的測(cè)量；西北工業(yè)大學(xué)[10-12]也利用TDLAS技術(shù)研究了脈沖爆震火箭發(fā)動(dòng)機(jī)尾焰參數(shù)、超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣的特性，并與上海理工大學(xué)[13]合作研究了火箭基組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)出口處燃?xì)獾牧魉佟?/p>

上述研究證實(shí)了TDLAS在流體流速測(cè)量，特別是高溫、高速流場(chǎng)中流體的流速測(cè)量方面的可行性。然而，目前國(guó)內(nèi)尚未有將TDLAS技術(shù)應(yīng)用于固體推進(jìn)劑裝藥排氣羽流流速測(cè)量方面的報(bào)道。本研究選擇雙基和改性雙基兩種典型的固體推進(jìn)劑，利用TDLAS技術(shù)研究了上述兩種推進(jìn)劑裝藥在標(biāo)準(zhǔn)縮比發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)燃燒后產(chǎn)生的排氣羽流的流速特征，以期為推進(jìn)劑配方優(yōu)化和發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)提供參考。

1實(shí)驗(yàn)

1.1樣品

雙基推進(jìn)劑配方(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為：NC 59%、NG 8%、二硝基甲苯8%、中定劑3%、燃燒催化劑3%、其他2%，其比沖為1876.4N·s/kg；改性雙基推進(jìn)劑配方(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為：NC 35%、NG 25%、RDX 27%、Al 3%、燃燒催化劑4%、其他6%，其比沖為2082.0N·s/kg。

1.2實(shí)驗(yàn)原理

TDLAS技術(shù)測(cè)量固體推進(jìn)劑裝藥排氣羽流中氣體的流速基于多普勒效應(yīng)，光路示意圖如圖1所示。

圖1　固體推進(jìn)劑裝藥排氣羽流流速測(cè)量光路圖Fig.1　Optical path for measuring the exhaust plumevelocity of solid propellant charge

設(shè)頻率為v的光束穿過(guò)測(cè)量區(qū)域，該過(guò)程中光源靜止，光接收器即為氣體分子，則運(yùn)動(dòng)的氣體分子接收到的光子表觀頻率(v′)為

v′=v(1-u·l1/c)

(1)

式中：u為氣流的流速；l1為第1次多普勒過(guò)程中源指向接收器的單位矢量；c為光速，流速計(jì)算中取c值為3×108m/s。

若光子被氣體分子吸收，將導(dǎo)致探測(cè)器接收到的光強(qiáng)信號(hào)的減弱。未被吸收的散射光子則將經(jīng)歷第2次多普勒頻移過(guò)程，該過(guò)程中光源的運(yùn)動(dòng)速度和流速相同，光接收器即為光電探測(cè)器，處于靜止?fàn)顟B(tài),則探測(cè)器接收到光子的表觀頻率(v″)為

v″=v′/(1-u·l2/c)=v

(2)

式中：l2為第2次多普勒過(guò)程中源指向接收器的單位矢量；l1和l2相等，統(tǒng)一記作l。

由上述分析可知，對(duì)于非吸收光，將經(jīng)歷上述兩次頻移后，探測(cè)器接收信號(hào)頻率和激光器發(fā)射頻率相同，沒(méi)有總的頻移；而對(duì)于吸收光，僅經(jīng)歷第1次頻移，在氣體分子接收的表觀頻率為氣體特征吸收中心頻率時(shí)將產(chǎn)生最大吸收，即v′=v0，此時(shí)頻移大小為

(3)

圖1中激光光束1和光束2方向上的流速分量大小相同、方向相反，因此將導(dǎo)致吸收線的中心頻率分別向高頻和低頻方向移動(dòng)，兩者的總頻差為2Δv，如圖2所示。由于角度θ在光路結(jié)構(gòu)安排中已知，通過(guò)測(cè)量頻差就可以反演出流速。

圖2　頻差示意圖Fig.2　Schematic diagram of frequency difference

1.3實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)所涉及的雙基和改性雙基推進(jìn)劑的燃?xì)庵芯兴拇嬖冢诙O管激光器工作波段具有較強(qiáng)的吸收，因此選擇水作為TDLAS的測(cè)量對(duì)象以表征羽流流速。本研究選取水位于1392nm附近的譜線用于測(cè)量。

固體推進(jìn)劑裝藥排氣羽流流速特性研究系統(tǒng)如圖3所示，其中流速標(biāo)定模塊用于實(shí)時(shí)測(cè)量各時(shí)刻半導(dǎo)體激光器的出光頻率。實(shí)驗(yàn)中使用的固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)為Ф50mm標(biāo)準(zhǔn)縮比發(fā)動(dòng)機(jī)，帶測(cè)壓孔，通過(guò)優(yōu)化噴管直徑使得發(fā)動(dòng)機(jī)工作壓強(qiáng)為7MPa左右。推進(jìn)劑裝藥為單孔管狀藥，自由裝填，其外徑45mm,內(nèi)徑8mm，包覆方式為單端包覆。

圖3　固體推進(jìn)劑裝藥排氣羽流流速特性研究系統(tǒng)示意圖Fig.3　Schematic diagram of the investigating systemof exhaust plume velocity characteristics forsolid propellant charge

1.4實(shí)驗(yàn)方法

將TDLAS流速測(cè)量裝置放置于固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試臺(tái)架后方；通電對(duì)測(cè)量裝置的工作狀態(tài)進(jìn)行檢查，主要檢查兩路激光是否正常出光、光強(qiáng)值是否有明顯差別等。若儀器工作狀態(tài)正常，即可將推進(jìn)劑裝藥裝入測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)的測(cè)試臺(tái)架上；隨后連接發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火線，設(shè)置羽流流速的采樣速率，在接通點(diǎn)火電源使發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火時(shí)，觸發(fā)TDLAS流速測(cè)量裝置采集數(shù)據(jù)，在發(fā)動(dòng)機(jī)工作完畢后停止采集。

2結(jié)果與討論

2.1雙基推進(jìn)劑羽流流速特性

對(duì)雙基推進(jìn)劑裝藥的羽流流速特性進(jìn)行測(cè)量，得到羽流流速隨時(shí)間的變化曲線，如圖4所示。

圖4　雙基推進(jìn)劑裝藥羽流流速隨時(shí)間的變化曲線Fig.4　Curve of change in plume velocity with timefor double-base propellant charge

由圖4可知，發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火后，雙基推進(jìn)劑裝藥的羽流流速迅速升高，在0.55 s處達(dá)到第1個(gè)峰值，此時(shí)流速約為717m/s；隨后流速出現(xiàn)一定程度的降低，在0.64s處降至約654m/s。接下來(lái)羽流流速以相對(duì)較慢的速率升高，在0.90s時(shí)達(dá)到839m/s，并在0.90～1.39s出現(xiàn)了一個(gè)流速平臺(tái)，該平臺(tái)是推進(jìn)劑裝藥穩(wěn)定燃燒的標(biāo)志。平臺(tái)結(jié)束后，流速迅速下降，在約1.64s處降至0。對(duì)雙基推進(jìn)劑裝藥穩(wěn)定燃燒區(qū)域(即圖4中兩條黑色虛線間的區(qū)域)內(nèi)的流速取平均值，可以得到雙基推進(jìn)劑裝藥在距離發(fā)動(dòng)機(jī)噴口30cm處的平均羽流流速為831.8m/s。

2.2改性雙基推進(jìn)劑羽流流速特性

使用相同的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，對(duì)改性雙基推進(jìn)劑裝藥的羽流流速進(jìn)行了測(cè)量，得到流速隨時(shí)間的變化曲線，如圖5所示。

圖5　改性雙基推進(jìn)劑裝藥羽流流速隨時(shí)間的變化曲線Fig.5　Curve of change in plume velocity with time forcomposite modified double-base propellant charge

由圖5可知，TDLAS測(cè)試系統(tǒng)在0.17s時(shí)開(kāi)始探測(cè)到羽流流速的變化，在0.33s時(shí)，達(dá)到1100m/s，同時(shí)進(jìn)入羽流流速平臺(tái)區(qū)。該平臺(tái)區(qū)是推進(jìn)劑裝藥穩(wěn)定燃燒的標(biāo)志，對(duì)應(yīng)時(shí)間范圍為0.33～0.88s。但是，在平臺(tái)區(qū)內(nèi)，除0.61s處存在一個(gè)較小的流速峰外，流速曲線整體上表現(xiàn)出下降趨勢(shì)。該羽流流速曲線變化的結(jié)束點(diǎn)位于1.03s處，與起始點(diǎn)間的時(shí)間間隔為0.86s。對(duì)平臺(tái)區(qū)內(nèi)的羽流流速取平均值，可得改性雙基推進(jìn)劑裝藥在距發(fā)動(dòng)機(jī)噴口30cm處的平均羽流流速為1057.5m/s。

2.3羽流流速曲線與發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)壓強(qiáng)曲線的比較

2.3.1雙基推進(jìn)劑裝藥

在進(jìn)行羽流流速測(cè)試的同時(shí)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)壓強(qiáng)的變化情況也進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。圖6為雙基推進(jìn)劑裝藥羽流流速測(cè)量實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)壓強(qiáng)隨時(shí)間的變化曲線。

對(duì)比圖4與圖6，可以發(fā)現(xiàn)二者的曲線形狀變化規(guī)律較為相似，均在流速/壓強(qiáng)達(dá)到第1個(gè)峰值后出現(xiàn)下降過(guò)程，隨后再次上升并產(chǎn)生流速/壓強(qiáng)平臺(tái)，這說(shuō)明推進(jìn)劑裝藥的羽流流速曲線也體現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部推進(jìn)劑的燃燒狀態(tài)。然而，相比流速曲線，壓強(qiáng)曲線中第1個(gè)峰值的相對(duì)強(qiáng)度更高，同時(shí)平臺(tái)也更寬。這是因?yàn)?，流速測(cè)量的采樣率遠(yuǎn)低于壓強(qiáng)測(cè)量，可能導(dǎo)致曲線形狀的變化；另一方面，羽流流速測(cè)量屬于外場(chǎng)測(cè)量，較容易受到外界環(huán)境的影響。

圖6　雙基推進(jìn)劑裝藥燃燒過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)壓強(qiáng)隨時(shí)間的變化曲線Fig.6　Curve of change in pressure with time in the combustionprocess of double-base propellant charge in the motor

此外，流速曲線變化的起始點(diǎn)(0.41s處)和結(jié)束點(diǎn)(1.65s處)相比壓強(qiáng)曲線變化的起始點(diǎn)(0.34s處)和結(jié)束點(diǎn)(1.42s處)均有一定程度的滯后，且流速曲線上起始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)的間距也大于壓強(qiáng)曲線上兩個(gè)點(diǎn)的間距；此外，發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火后壓強(qiáng)的升高速率明顯高于羽流流速增大的速率，而發(fā)動(dòng)機(jī)工作結(jié)束后壓強(qiáng)的降低速率也高于羽流流速減小的速率。上述現(xiàn)象的原因在于，壓強(qiáng)曲線的變化直接反映了發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的情況，而TDLAS裝置測(cè)量的則是距噴口一定距離(30cm)的羽流流速，其探測(cè)到的流速變化顯然會(huì)滯后于壓強(qiáng)的變化。

2.3.2改性雙基推進(jìn)劑裝藥

改性雙基推進(jìn)劑裝藥燃燒過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)壓強(qiáng)隨時(shí)間的變化曲線如圖7所示。

圖7　改性雙基推進(jìn)劑裝藥燃燒過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)壓強(qiáng)隨時(shí)間的變化曲線Fig.7　Curve of change in pressure with time in thecombustion process of composite modified double-basepropellant charge in the motor

由圖7可知，改性雙基推進(jìn)劑裝藥的燃燒約在0.14s開(kāi)始。0.16s時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)壓強(qiáng)即達(dá)到峰值，隨后進(jìn)入平臺(tái)區(qū)，相應(yīng)的時(shí)間范圍為0.16～0.82s。該壓強(qiáng)曲線的平臺(tái)區(qū)整體上表現(xiàn)出下降趨勢(shì)，與羽流流速曲線(圖5)的變化趨勢(shì)一致。然而，壓強(qiáng)曲線上0.16～0.39s范圍內(nèi)的波動(dòng)并沒(méi)有體現(xiàn)在羽流流速曲線上，這可能是由流速測(cè)量采樣率較低而導(dǎo)致的。此外，由于TDLAS裝置探測(cè)的外流場(chǎng)變化滯后于測(cè)壓裝置所探測(cè)的內(nèi)流場(chǎng)，改性雙基推進(jìn)劑裝藥的羽流流速曲線和發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)壓強(qiáng)曲線也在起始點(diǎn)、結(jié)束點(diǎn)、平臺(tái)寬度等參數(shù)上有所不同，相應(yīng)規(guī)律與雙基推進(jìn)劑裝藥一致。

3結(jié)論

(1)利用激光中心波長(zhǎng)為1392nm的TDLAS裝置實(shí)現(xiàn)了雙基和改性雙基兩種推進(jìn)劑裝藥羽流流速的在線測(cè)量，測(cè)得雙基和改性雙基推進(jìn)劑裝藥在距發(fā)動(dòng)機(jī)噴口30cm處的平均羽流流速分別為831.8和1057.5m/s。

(2)雙基和改性雙基推進(jìn)劑裝藥的羽流流速曲線總體變化趨勢(shì)均與相應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)壓強(qiáng)曲線吻合良好，但相比壓強(qiáng)曲線有一定程度的滯后。

(3)推進(jìn)劑裝藥的羽流流速曲線也能反映出發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)推進(jìn)劑的燃燒狀態(tài)。

參考文獻(xiàn):

[1]楊斌, 何國(guó)強(qiáng), 劉佩進(jìn), 等. 可調(diào)諧LD吸收光譜燃燒診斷技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 激光技術(shù), 2011, 35(4): 503-510.YANG Bin, HE Guo-qiang, LIU Pei-jin, et al. Reaserch progress of tunable diode laser absorption spectroscopy for combustion diagnostics[J]. Laser Technology, 2011, 35(4): 503-510.

[2]Auslender A H, Suder K L, Thomas S R. An overview of the NASA FAP hypersonics project airbreathing propulsion research[C]∥16th AIAA/DLR/DGLR International Space Planes and Hypersonic Systems and Technologies Conference. New York: AIAA, 2009: 7277.

[3]McDaniel J C, Chelliah H, Goyne C P, et al. US national center for hypersonic combined cycle propulsion: an overview[C]∥ 16th AIAA/DLR/DGLR International Space Planes and Hypersonic Systems and Technologies Conference. New York: AIAA, 2009: 7280.

[4]張春曉, 王飛, 李寧, 等. 可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)光信號(hào)相關(guān)法氨氣濃度流速同時(shí)測(cè)量[J]. 光譜學(xué)與光譜分析, 2009, 29(10): 2597-2601.

ZHANG Chun-xiao, WANG Fei, LI Ning, et al. Ammonia gas concentration and velocity measurement using tunable diode laser absorption spectroscopy and optical signal cross-correlation method[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2009, 29(10): 2597-2601.

[5]賈良權(quán), 劉文清, 闞瑞峰, 等. 波長(zhǎng)調(diào)制-TDLAS 技術(shù)測(cè)量風(fēng)洞中氧氣流速方法研究[J]. 中國(guó)激光, 2015, 42(7): 304-311.

JIA Liang-quan, LIU Wen-qing, KAN Rui-feng, et al. Study on oxygen velocity measurement in wind tunnel by wavelength modulation-TDLAS technology[J]. Chinese Journal of Lasers, 2015, 42(7): 304-311.

[6]張亮, 劉建國(guó), 闞瑞峰, 等. 基于可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)的高速氣流流速測(cè)量方法研究[J]. 物理學(xué)報(bào), 2012, 61 (3): 034214.

ZHANG Liang, LIU Jian-guo, KAN Rui-feng, et al. On the methodology of measuring high-speed flows using tunable diode laser absorption sectroscopy[J]. Acta Physica Sinica, 2012, 61(3): 034214.

[7]Yu X, Li F, Chen L, et al. In a tunable diode-laser absorption spectroscopy (TDLAS) thermometry for combustion diagnostics[C]∥ 15th AIAA International Space Planes and Hypersonic Systems and Technologies Conference. New York: AIAA, 2008: 2657.

[8]Li F. Application of near-infrared absorption technology on supersonic combustion[D]. Beijing: Gradute Univeristy of Clunese Academy of Science, 2009.

[9]Li F, Yu X, Gu H, et al. Measurement of flow parameters in a scramjet combustor based on near-infrared absorption[J]. Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics, 2011, 43: 1-7.

[10]Fan W, Yan C J, Zhang Q, et al. Combustion diagnostics by tunable diode laser-based absorption[J]. Journal of Propulsion Technology, 2003, 24 (2): 186-189.

[11]Fan W, Jenkins T, Sanders S, et al. Diode-laser-based diagnostics for a pulse detonation engine[J]. Journal of Propulsion Technology, 2001, 22 (4): 349-352.

[12]陳帆, 陶波, 黃斌, 等. 基于 TDLAS 的脈沖爆震火箭發(fā)動(dòng)機(jī)尾焰參數(shù)測(cè)量[J]. 燃燒科學(xué)與技術(shù)[J]. 2013, 19(6): 501-506.

CHEN Fan, TAO Bo, HUANG Bin, et al. Measurement of PDRE plume based on TDLAS technology[J]. Journal of Combustion Science and Technology, 2013, 19(6): 501-506.

[13]楊斌, 黃斌, 劉佩進(jìn), 等. 利用 TDLAS 技術(shù)評(píng)估火箭基組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)性能[J]. 宇航學(xué)報(bào), 2015, 36(7): 840-848.

YANG Bin, HUANG Bin, LIU Pei-jin, et al. Test performance evaluation of rocket based combined cycle engine using TDLAS technique[J]. Journal of Astronautics, 2015, 36(7):840-848.

Investigations on the Exhaust Plume Velocity Characteristics of Double-base and CMDB Propellants Charge Based on TDLAS Technique

YANG Yan-jing1, ZHAO Feng-qi1, SUN Mei1, YI Jian-hua1, YAO De-long2, XUAN Chun-lei1, XU Yi1,WANG Chang-jian1, SUN Zhi-hua1, AN Ting1

(1.Science and Technology on Combustion and Explosion Laboratory, Xi′an Modern Chemistry Research Institute,Xi′an 710065, China; 2.Test and Measurement Academy, China North Industries Group, Huayin Shaanxi 714200, China)

Abstract:Based on tunable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS) technique, the exhaust plume velocities produced after the combustion of double-base (DB) and composite modified double-base (CMDB) propellants charge in a Φ50mm standard subscale motor were measured using a H2O absorption line near 1392nm. The results show that for the DB propellant charge, the plume velocities decrease a little and then increase gradually after the first peak is reached. After that, a plateau could be observed in the time range of 0.90-1.39s. As for the CMDB propellant charge, a plateau is detected at 0.33-0.88s after the velocity reaches 1100m/s and the velocities decrease gradually in this plateau. The changing trend of the exhaust plume velocity curves of the solid propellant charge is in agreement with the combustion chamber pressure curve, but compared to the pressure curve, the velocity curve has a certain degree of lag due to that the exhaust plume velocities were determined at a distance from the nozzle. The mean plume velocities of DB and CMDB propellants charge at the position 30cm from the engine nozzle are determined to be 831.8 and 1057.5m/s, respectively.

Keywords:tunable diode laser absorption spectroscopy; TDLAS; solid propellant; exhaust plume; plume velocity

DOI：10.14077/j.issn.1007-7812.2016.03.0014

收稿日期:2016-01-12；修回日期:2016-04-16

基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金(No. 21503163)

作者簡(jiǎn)介:楊燕京(1987-)，男，博士，從事固體推進(jìn)劑及羽流特征信號(hào)測(cè)試研究。E-mail:mseyyj@163.com 通訊作者:趙鳳起(1963-)，男，博士，研究員，從事固體推進(jìn)劑及含能材料研究。E-mail: zhaofqi@163.com

中圖分類號(hào)：TJ55;V512

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1007-7812(2016)03-0070-05